ГЕРМЕТИЗАТОР УСТЬЕВОЙ РОТОРНЫЙ Российский патент 2023 года по МПК E21B33/03 

Изобретение относится к оборудованию для герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спуско-подъемных операций с колонной бурильных труб и ее вращением ведущей трубой.

Известно устройство герметизации устья скважины (RU 68581 U1, МПК: E21B 33/03, опубл. 27.11.2007), содержащее корпус со сквозным осевым каналом, имеющий верхний и нижний фланцы и выполненный с возможностью установки нижним фланцем герметично на фланец устьевой компоновки, узел вращения, расположенный в осевом канале корпуса и содержащий соосно установленные между собой и с центральной осью сквозного канала корпуса крышку с центральным сквозным отверстием для прохода ведущей бурильной трубы и ротор, установленный в крышке посредством подшипникового узла и имеющий центральное сквозное отверстие под ведущую бурильную трубу, уплотнительную манжету, на которую опирается ротор, имеющую центральное сквозное отверстие по форме ведущей бурильной трубы и водило для передачи вращения ротору от ведущей бурильной трубы.

Недостатком известного устройства является ограниченность его эксплуатационных возможностей, обусловленная тем, что:

- уплотнительная манжета может герметизировать только определенный размер бурильной трубы, например, сечения 80×80, причем с определенной формой ребер, которой должна соответствовать конфигурация отверстия в уплотнительной манжете.

- герметизатор не предназначен для работы с применением силовых вертлюгов, где необходимо герметизировать ведущую трубу круглого сечения.

Также, данное устройство ненадежно в эксплуатации, поскольку при постоянном контакте уплотнительной манжеты с уплотняемой наружной поверхностью ведущей трубы и элементами бурильной колонны (трубы, муфты, замки) будет происходить интенсивный износ ее контактирующих поверхностей, особенно при спускоподъемных операциях, что может в скором привести к потере герметичности при высоком давлении на устье, к переливам раствора, а также к нефтегазоводопроявлению.

Известна устьевая герметизирующая головка (RU 2068488 С1, МПК: Е21В 33/06, включающая: полый цилиндрический корпус с центральным сквозным каналом для пропуска труб с технологическим оборудованием, герметизирующий элемент, установленный в корпусе на опоре вращения в виде упорного шарикового подшипника в нижнем съемном фланце, рабочую гидравлическую камеру, образованную нижней кольцевой полостью между корпусом и герметизирующим элементом, камеру регулировки поджатия герметизирующего элемента к трубе, образованную верхней полостью корпуса и поршнем, связанным с герметизирующим элементом, гидравлические каналы с рабочим агентом, связывающие рабочую гидравлическую камеру и камеру регулировки поджатия с нагнетательным насосом.

К недостаткам известного устройства следует отнести повышенную трудоемкость эксплуатации, связанную:

- со сложностью управления при эксплуатации, вызванной необходимостью установления баланса подбором давлений в камере возврата и рабочей гидравлической камере относительно давления на устье скважины с помощью контрольно-распределительной гидроаппаратуры, не обладающих достаточной гибкостью подачи давления;

- сложностью разборки и сборки устройства.

Кроме того, известное устройство обладает низкой надежностью работы вследствие того, что его конструкция не обеспечивает автоматической регулировки усилия поджатия герметизирующего элемента к трубе в зависимости от давления на устье скважины, которое необходимо устанавливать путем подбора определенного баланса давлений рабочего агента в камерах относительно давления на устье скважины. Поэтому при изменении давления на устье скважины, которое может изменяться и скачкообразно, возможна ситуация, когда давление в рабочей гидравлической камере будет меньше давления на устье скважины, в результате чего герметичность в контакте герметизирующего элемента и трубы будет нарушена и произойдет прорыв скважинных флюидов. В ситуации, когда давление в рабочей гидравлической камере будет значительно превосходить давление на устье скважины, возможен интенсивный износ рабочей поверхности герметизирующего элемента в процессе работы, что приведет к его разрушению при высоком давлении на устье, к переливам раствора, а также к нефтегазоводопроявлению. Кроме этого, в результате возникновения чрезмерного трения в зоне контакта уплотнителя с ведущей трубой при ее осевом перемещении колонны вверх будет повышаться величина осевой нагрузки, интенсивный износ деталей и подъемных механизмов подъемника, а также снижение нагрузки от инструмента во время перемещения инструмента вниз (спуска), что может привести к снижению эффективности бурения и возникновению аварийных ситуаций.

Низкая надежность работы известного устройства обусловлена также и тем, что нижний упорный подшипник не защищен от воздействия скважинного флюида, содержащего твердую фазу, в результате чего возможен интенсивный абразивный износ тел и дорожек качения подшипника с возникновением момента вращения, направленного в противоположную сторону с потерей синхронного вращения с вращающимся герметизирующим элементом, что приведет к его разрушению и потере герметичности устройства с прорывом скважинных флюидов и бурового раствора с последующим возможным переходом скважины в открытое фонтанирование.

Известное устройство обладает повышенным габаритом по высоте ввиду наличия в конструкции камеры возврата с кольцевым поршнем и съемного фланца, что увеличивает эксплуатационные затраты, так как повышает затраты на монтаж буровой установки, во взаимодействии с которой будет использоваться известное устройство. Это обусловлено тем, что для удобства эксплуатации известного устройства при спускоподъемных операциях необходим монтаж дополнительных оснований под буровую установку или монтаж дополнительных подмостков для обслуживающего персонала на вышечном блоке вокруг устья.

Также, известное устройство обладает сложной конструкцией ввиду наличия камеры возврата с кольцевым поршнем, введение которой в конструкцию функционально не оправдано, так как:

- уменьшение контактного давления между герметизирующим элементом и трубой и, следовательно, усилия обжатия трубы можно обеспечить уменьшением давления в рабочей гидравлической камере;

- возврат герметизирующего элемента в исходное состояние после уменьшения давления в рабочей гидравлической камере может быть обеспечен за счет упругих свойств эластичного материала герметизирующего элемента.

И, наконец, известное устройство имеет жестко отцентрированный ротор, что приводит к циклической деформации эластичного герметизирующего элемента с возникновением повышенных знакопеременных радиальных нагрузок на подшипники из-за отсутствия общего центра у оси устья скважины и оси вращения ведущей трубы, что приведет к значительному снижению срока службы герметизирующего элемента и подшипниковых узлов.

Таким образом, известное устройство обладает повышенной трудоемкостью эксплуатации, низкой надежностью, повышенными эксплуатационными затратами, сложной конструкцией и низким сроком службы изделия в целом.

Задачей изобретения является создание устройства для герметизации устья скважины, лишенного перечисленных недостатков.

Техническим результатом решения этой задачи является расширение эксплуатационных возможностей, повышение надежности и срока службы, снижение эксплуатационных затрат и, как следствие, повышение надежности герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спускоподъемных операций с колонной бурильных труб и ее вращением ведущей трубой.

Для обеспечения этих результатов заявляемое устройство для герметизации устья скважины, включающее:

- полый цилиндрический корпус с центральным сквозным каналом для пропуска труб с технологическим оборудованием, оснащенный верхним и нижним фланцами для крепления технологического оборудования и оборудованию на устье скважины соответственно;

- запирающие крышки с центральным отверстием для центрирования колонны спускаемых или поднимаемых труб, установленные в корпус сверху и снизу;

- ротор, установленный в корпусе, содержащий корпус ротора, внутри которого установлена уплотнительная манжета и элементы ее соединения с ротором, оснащенный по крайней мере одной опорой вращения в виде подшипника качения,

- рабочую гидравлическую камеру в виде кольцевой полости между корпусом и герметизирующим элементом, заполненную рабочим агентом;

- устройство управления усилием поджатия уплотнительной манжеты к трубе, гидравлически связанное с рабочей гидравлической камерой;

- гидравлические каналы;

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

- дополнительно содержит по крайней мере одну подвижную опору, установленную между опорой вращения и запирающей крышкой, выполненную в виде металлической или композитной шайбы, содержащей по крайней мере одну уплотнительную канавку для установки уплотнительного кольца с целью обеспечения герметичности между запирающей крышкой и полостью рабочей камеры, а также по крайней мере один конструктивный элемент в виде фигурного паза, или фигурного выступа, или отверстия, или штифта для взаимодействия с ответным конструктивным элементом, выполненного в виде фигурного выступа, или фигурного паза или штифта, или отверстия, выполненного в запирающей крышке соответственно, фиксирующий подвижную опору от поворота вокруг центральной оси ротора не препятствующий перемещению подвижной опоры в плоскости, перпендикулярной центральной оси ротора;

- уплотнительная манжета выполнена из эластичного материала в виде сменной втулки ротора с уплотнительными выступами или впадинами на обоих торцах.

- узел управления и регулирования величины усилия поджатия уплотнительной манжеты к трубе содержит подключаемый гидравлический насос или гидравлическую станцию с любым типом привода, а также гидравлический аккумулятор, включающийся в состав узла управления при пропуске муфт под давлением.

Изобретение поясняется чертежом.

Заявляемый герметизатор устьевой роторный, изображенный на фиг. 1, содержит полый цилиндрический корпус 1 с верхним 2 и нижним 3 фланцами имеет сквозной осевой канал 4 для пропуска труб 5 с муфтами 6, который сверху и снизу закрывают запирающие крышки 7 с центральным отверстием 8 для центрирования колонны спускаемых или поднимаемых труб 5 с муфтами 6.

Запирающие крышки 7 устанавливаются в корпус 1 посредством резьбового или байонетного соединения и взаимодействуют с подвижными опорами 9, содержащими пазы 10 в виде направляющих шпоночных пазов, в которые входят штифты 11, выступающие из запирающих крышек 7 для защиты подвижных опор 9 от поворота вокруг центральной оси 12.

Подвижные опоры 9 имеют осевую расточку, в которую установлены радиальные подшипники 13 и уплотнительные кольца 14, а также наружную цилиндрическую шейку 15, на которую устанавливаются упорные подшипники 16.

Корпус ротора 17 имеет гидравлические каналы 18 в виде отверстий для прохода рабочего агента 19. Внутри корпуса ротора 17 установлена уплотнительная манжета 20, герметично поджимаемая втулками ротора 21 с обоих сторон за счет резьбового соединения 22. Втулки ротора 21 защищены от отвинчивания из корпуса ротора 17 стопорными винтами 23.

Корпус ротора 17 с уплотнительной манжетой 20, втулками ротора 21, стопорными винтами 23 в сборе, а также подвижные опоры 9 с радиальными подшипниками 13, уплотнительными кольцами 14 и подшипниками 16 в сборе устанавливают в корпус 1 и зажимают запирающими крышками 7 с гарантирующим герметичность при рабочем давлении минимальным зазором в собранном пакете. Запирающие крышки 7 защищают от отвинчивания из корпуса 1 стопорными винтами 24.

Уплотнительная манжета 20, кольца уплотнительные 14, 25 и 26 обеспечивают герметичность между осевым каналом 4 внутри корпуса 1 внешней средой, образуя рабочую камеру, заполненную рабочим агентом 19. Для удаления воздуха из осевого канала корпуса 4 при его заполнении рабочим агентом 19 по гидравлическому каналу 27 используют винт 28 с перепускным каналом 29 и шар 30, взаимодействующий с поверхностью конического отверстия в гидравлическом канале 29 в верхней части устройства.

Контроль давления внутри корпуса 1 осуществляется по манометру 31, установленным в любом удобном для считывания показаний месте линии нагнетания рабочего агента 19.

Заявляемое устройство герметизации устья скважины работает следующим образом.

В положении, показанном на чертеже, заполненное рабочим агентом устройство герметично устанавливается нижним фланцем 3 на верхний фланец устьевого оборудования и закрепляется шпильками с гайками. Немного отвинчивают винт 28 из верхней крышки 7, подключают герметизатор к линии высокого давления или насосу высокого давления посредством БРС и удаляют воздух из внутренней полости герметизатора посредством подачи рабочего агента 19 в корпус 1 герметизатора до выхода некоторого количества рабочего агента без наличия пузырьков воздуха из гидравлического канала 29. Далее затягивают винт 28 с необходимым моментом в крышку 7. Производят монтаж необходимого технологического оборудования к верхнему фланцу 2, например ротора для вращения ведущей бурильной трубы. Через центральное отверстие 8 осуществляют спуск или подъем труб 5 с муфтами 6 совместно с технологическим оборудованием в составе колонны. После присоединения ведущей трубы к верхней муфте 6 колонны спущенных труб осуществляют различные технологические операции, в том числе фрезерование, бурение с прямой или обратной промывкой, в том числе с одновременным спуском или подъемом вращающейся колонны бурильных труб, промывку ствола скважины, опрессовку колонны обсадных труб, испытания на герметичность ПВО или перекрытие кольцевого пространства скважины для предотвращения попадания посторонних предметов в скважину во время перерывов в работе.

Герметизацию устья скважины в случае повышения давления и перелива раствора осуществляют подачей рабочего агента 19 насосом высокого давления через канал 27 с контролем давления по манометру 31. В результате рабочий агент 19 из канала 27 поступает в рабочую полость 4 корпуса 1 и по гидравлическим каналам 18 и увеличивает объем рабочего агента 19 во внутреннем канале 4 корпуса 1 и упруго деформирует герметизирующий элемент 20, который охватывает трубу 5, муфту 6 или ведущую трубу, перекрывая возможность перелива раствора через заявляемое устройство ввиду отсутствия зазора между трубой 5, муфтой 6 или ведущей трубой и герметизирующим элементом 20. Таким образом, достигается первоначальная герметизация устья скважины, после чего подачу рабочего агента останавливают, давление во внутренней полости 4 корпуса 1 начнет возрастать на величину давления флюида, находящегося в скважине. Таким образом, усилие обжима в контакте сменного уплотнителя 20 с трубой 5 будет автоматически, без участия обслуживающего персонала и ручного регулирования баланса давлений, одновременно изменяться пропорционально величине изменения давления в скважине, чем достигается по сравнению с прототипом как повышение надежности работы заявляемого устройства, так и снижение трудоемкости его эксплуатации.

При спуско-подъемных операциях, связанных с проталкиванием и пропуске муфт 6 через герметизирующий элемент 20 под давлением в линию подачи высокого давления подключают гидравлический аккумулятор. Так, при спуске или подъеме колонны труб 5 при давлении на устье замковое соединение 6, будучи по диаметру больше диаметра труб 5, при проходе через заявляемое устройство воздействует на герметизирующий элемент 20, увеличивая его внутренний диаметр и уменьшая объем рабочей гидравлической камеры 4. При этом рабочий агент 19 будет вытесняется из корпуса 1 через канал 27 в полость гидравлического аккумулятора, настроенного на требуемое давление. Тем самым обеспечивается уменьшение износа сменного уплотнителя 20, что повышает его долговечность и увеличивает надежность работы заявляемого устройства. После прохода замкового соединения 6 процесс восстановления давления в рабочей гидравлической камере 4 автоматически повторяется в обратном порядке.

После герметизации устья скважины осуществляют технологические работы в ее стволе с перемещением колонны труб на ведущей трубе, промывку скважины и при необходимости вращение ведущей трубы, которая, будучи обжата герметизирующим элементом 20, увлекает его за собой во вращение. А поскольку герметизирующий элемент 20 связан втулками ротора 21, а они в свою очередь установлены между подвижными опорами 9 через упорные подшипники 16, также начинает вращаться. Благодаря тому, что радиальные подшипники 13 и упорные подшипники 16 отделены от воздействия внешней среды, а именно атмосферы сверху и скважинных флюидов снизу уплотнительными элементами 20, 14, 25, 26 и находятся в полости 4 корпуса 1, заполненной рабочим агентом, в качестве которого, как правило, используются машинные или гидравлические масла, они будут постоянно смазываться и охлаждаться, не подвергаясь по сравнению с прототипом воздействию скважинных флюидов и абразивному износу. Тем самым исключается повышенный износ упорных подшипников 16 и возможность их заклинки при работе, чем предотвращается преждевременный износ и разрушение герметизирующего элемента 20 при работе и повышается надежность работы заявляемого устройства. Кроме этого, значительно увеличивается срок эксплуатации уплотнительных колец 14 и радиальных подшипников 13, работающих в смазке под давлением. При этом рабочий агент не будет смешиваться со скважинным флюидом, так как давление в полости 4 корпуса 1 всегда будет всегда выше давления скважинного флюида в скважине на величину давления, при которой происходит начальная упругая деформация герметизирующего элемента 20, требуемая для охватывания трубы 5, муфты 6 или квадрата из ненагруженного свободного состояния герметизирующего элемента 20 при атмосферном давлении, имеющего в этот момент полнопроходное центральное отверстие, равное проходному диаметру в крышках 7 герметизатора, чем предотвращается загрязнение рабочего агента твердой фазой скважинных флюидов.

При чрезмерно малом давлении на устье скважины возможна ситуация, когда этого давления будет недостаточно для надежного обжима трубы 5 герметизирующим элементом 20 и в контакте между ними могут появиться зазоры, через которые возможен переток скважинного флюида. В этом случае производят подкачку рабочего агента 19 до получения плотного контакта герметизирующего элемента 20 с трубой 5 и увеличения усилия обжима трубы 5 герметизирующим элементом 20, что исключит возможность перетока скважинного флюида.

При эксплуатации герметизаторов на скважинах со значительным, более 2 мм несовпадении оси вращения колонны 12 вращаемых труб 5 и оси устьевого фланца скважины, в том числе с осью смонтированного на нем устьевого, противовыбросового и другого технологического оборудования данная несоосность вызывает возникновение больших радиальных нагрузок как на герметизирующий элемент, так и на подшипниковые узлы во время их работы, что значительно сокращает ресурс их работы. С целью повышения срока службы узлов заявляемого герметизатора влияние несоосности минимизировано за счет конструкции герметизатора. Герметизирующий элемент 20, корпус ротора 17, крышки ротора 21, радиальные подшипники 13 и уплотнительные кольца 14 вращаются в подвижных опорах 9. Подвижные опоры 9 при вращении колонны труб 5 не могут вращаться вместе с колонной труб 5, а могут только смещаться в радиальном направлении во внутренней полости 4 корпуса 1, то есть «плавать» в горизонтальной плоскости, так как они зафиксированы от поворота вокруг своей оси за счет взаимодействия своими направляющими шпоночными пазами 10 со штифтами 11, установленными на контактной поверхности запирающих крышек 7. Таким образом исключаются повышенные радиальные нагрузки и повышенный износ герметизирующего элемента 20, а также радиальных подшипников 13.

После проведения работ в скважине давление в рабочей гидравлической камере 4 сбрасывается путем сброса давления в бак насоса высокого давления до нуля, показания контролируются по манометру 31. При этом герметизирующий элемент 20 благодаря упругим свойствам материала возвращается в исходное положение, открывая центральный сквозной канал 8 корпуса 1 для пропуска труб 5, муфт 6 и технологического оборудования.

Изобретение относится к оборудованию для герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спускоподъемных операций с колонной бурильных труб и ее вращением ведущей трубой. Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей, повышение надежности и срока службы, снижение эксплуатационных затрат и, как следствие, повышение надежности герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спускоподъемных операций с колонной бурильных труб и ее вращением ведущей трубой. Заявлен герметизатор устьевой роторный, содержащий полый цилиндрический корпус с центральным сквозным каналом для пропуска труб с технологическим оборудованием, оснащенный нижним и верхним фланцами для крепления к оборудованию на устье скважины и для крепления технологического оборудования соответственно, запирающие крышки с центральным отверстием для центрирования колонны спускаемых или поднимаемых труб, установленные в полый цилиндрический корпус сверху и снизу, ротор, содержащий корпус ротора, установленный в полый цилиндрический корпус герметизатора, внутри которого установлена уплотнительная манжета и элементы ее соединения с корпусом ротора. При этом ротор оснащен одной опорой вращения в виде подшипника качения. Также герметизатор содержит рабочую гидравлическую камеру в виде кольцевой полости между корпусом и герметизирующим элементом, заполненную рабочим агентом, устройство управления усилием поджатия уплотнительной манжеты к трубе, гидравлически связанное с рабочей гидравлической камерой, и гидравлические каналы. Кроме того, герметизатор также снабжен подвижной опорой, установленной между опорой вращения и запирающей крышкой со стороны верхнего фланца. Подвижная опора выполнена в виде металлической или композитной шайбы, содержащей по меньшей мере одну уплотнительную канавку для установки уплотнительного кольца и конструктивный элемент в виде фигурного паза, или фигурного выступа, или отверстия, или штифта для взаимодействия с ответным конструктивным элементом в виде фигурного выступа, или фигурного паза, или штифта, или отверстия, соответственно, выполненного в запирающей крышке и ограничивающего подвижную опору от поворота вокруг центральной оси ротора, но не препятствующего свободному перемещению подвижной опоры в плоскости, перпендикулярной центральной оси ротора при их взаимодействии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Герметизатор устьевой роторный, содержащий полый цилиндрический корпус с центральным сквозным каналом для пропуска труб с технологическим оборудованием, оснащенный нижним и верхним фланцами для крепления к оборудованию на устье скважины и для крепления технологического оборудования соответственно, запирающие крышки с центральным отверстием для центрирования колонны спускаемых или поднимаемых труб, установленные в полый цилиндрический корпус сверху и снизу, ротор, содержащий корпус ротора, установленный в полый цилиндрический корпус герметизатора, внутри которого установлена уплотнительная манжета и элементы ее соединения с корпусом ротора, при этом ротор оснащен одной опорой вращения в виде подшипника качения, рабочую гидравлическую камеру в виде кольцевой полости между корпусом и герметизирующим элементом, заполненную рабочим агентом, устройство управления усилием поджатия уплотнительной манжеты к трубе, гидравлически связанное с рабочей гидравлической камерой, и гидравлические каналы, отличающийся тем, что он снабжен подвижной опорой, установленной между опорой вращения и запирающей крышкой со стороны верхнего фланца, выполненной в виде металлической или композитной шайбы, содержащей по меньшей мере одну уплотнительную канавку для установки уплотнительного кольца и конструктивный элемент в виде фигурного паза, или фигурного выступа, или отверстия, или штифта для взаимодействия с ответным конструктивным элементом в виде фигурного выступа, или фигурного паза, или штифта, или отверстия, соответственно, выполненного в запирающей крышке и ограничивающего подвижную опору от поворота вокруг центральной оси ротора, но не препятствующего свободному перемещению подвижной опоры в плоскости, перпендикулярной центральной оси ротора при их взаимодействии.

2. Герметизатор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной опорой вращения и дополнительной подвижной опорой, взаимодействующей с запирающей крышкой со стороны нижнего фланца.